Εργαστήριο Κυκλωμάτων και ...€¦ · vr1= (r 1/r 1+r 2) x v s vri= (r i/r...

Εισαγωγή στις Μετρήσεις Σημάτων και Επίδραση Οργάνου στις Μετρήσεις

ΗΜΥ203

Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων

Πανεπιστήμιο ΚύπρουΤμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών

Διδάσκων: Δρ. Γιώργος Ζάγγουλος

Σεπτέμβριος 19 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 2

Ατζέντα

Παρατηρήσεις / Απορίες από Εργαστήριο 1

Μέτρηση αντίστασης με Ωμόμετρο

Μετρήσεις τάσης και ρεύματος και εσωτερική

αντίσταση οργάνου

Εισαγωγή στο Εργαστήριο 3

Εισαγωγή στο PSpice

Εργαστήριο 1

Βρείτε τις τιμές των πιο κάτω εξαρτημάτων: Αντιστάσεις: [1] Άσπρο, Κόκκινο, Πορτοκαλί, Χρυσό

[2] Καφέ, Μαύρο, Κόκκινο, Χρυσό

Πυκνωτές: [3] 821 Πηνία: [5] 475[4] 474 [6] 336

[1] 9 2 000 ± (5%) = 92kΩ± (5%)[2] 1 0 00 ± (5%) = 1kΩ± (5%) [3] 8 2 0 pF = 0.82nF[4] 4 7 0000 pF = 470nF = 0.47μF [5] 4 7 00000 nH = 4700μΗ = 4.7mH[6] 3 3 000000 nH = 33mH


1.Αν μία μέτρηση για εναλλασσόμενη (ημιτονοειδή) τάση (AC) με το

πολύμετρο είναι 0.1V, ποια είναι η μέγιστη τιμή αυτής της τάσης;

2.Εάν μία μέτρηση τάσης με τον παλμογράφο μας δείξει ότι Vp-p = 20V(ημιτονοειδής), ποια θα είναι η αναμενόμενη ένδειξη της ίδιας τάσης αν

τη μετρήσουμε με το πολύμετρο;

3.Υπολογίστε το πλάτος (Vp-p), την περίοδο (Τ) και την συχνότητα (f) του

σήματος εάν οι ρυθμίσεις VOLTS/DIV και TIME/DIV στον παλμογράφο

βρίσκονται στις θέσεις 5V και 1μs αντίστοιχα και το εμφανιζόμενο κύμα

στην οθόνη του παλμογράφου έχει περίοδο 5 τετραγωνάκια και πλάτος

(Vp-p) 4 τετραγωνάκια.

4.Με ποια κουμπιά μπορούμε να αυξήσουμε την ακρίβεια μιας μέτρησης

με το πολύμετρο;

5.Σε ποια θέση πρέπει να βρίσκεται το περιστρεφόμενο κουμπί

¨CURRENT¨ της πηγής συνεχούς ρεύματος και γιατί;



Μέτρηση Αντίστασης με το πολύμετρο

Η μέτρηση της αντίστασης μεταξύ δύο σημείων στο κύκλωμα γίνεται με την σύνδεση του πολυμέτρου στα δυο σημεία που μας ενδιαφέρουν χωρίς όμως να υπάρχει συνδεδεμένη πηγή!

Η μέτρηση της αντίστασης σε μία μόνο αντίσταση πρέπει να γίνεται όταν η αντίσταση που μετράμε δεν συνδέεται με το υπόλοιπο κύκλωμα.

Τί θα συμβεί εάν κρατάμε με τα χέρια μας την αντίσταση και τους ακροδέκτες του οργάνου κατά τη διάρκεια μιας μέτρησης της αντίστασης;


Μέτρηση Τάσης και Ρεύματος

Η τάση (διαφορά δυναμικού) μετριέται πάντοτε με το βολτόμετρο συνδεδεμένο παράλληλα με τα δύο σημεία όπου θα μετρήσω την τάση. Κατά τη διάρκεια της μέτρησης της VRi η αντίσταση Ri θα μειωθεί σε Ri //Rβολβτομέτρου.

Για μέτρηση ρεύματος θα πρέπει προηγουμένως να ανοίξουμε το κύκλωμα και το αμπερόμετρο να συνδεθεί μεταξύ των δύο ανοικτών άκρων που δημιουργήθηκαν

μετά το άνοιγμα του κυκλώματος. Κατά τη διάρκεια της μέτρησης η αντίσταση του κλάδου στον οποίο μετρούμε αυξάνεται κατά Rαμπερομέτρου.



Κατασκευή κυκλωμάτων στην εκπαιδευτική πλακέτακαι σύνδεση εξωτερικών συσκευών/οργάνων

Μετρήσεις με παλμογράφο και πολύμετρο

Μελέτη και επαλήθευση του διαιρέτη τάσης

Μελέτη και επαλήθευση του διαιρέτη ρεύματος

Μετατροπή μεταξύ Vrms, Vp, και Vp-p

Υπολογισμός Ισχύος


Ποτενσιόμετρο

VR1 = (R1/R1+R2) x Vs

VRi = (Ri/Rtotal) x Vs

RTOTAL

upper terminal

center or "wiper" terminal

lower terminal

R2

R1

1

2

3


Εισαγωγή στο Εργαστήριο 3

Οι έννοιες: σφάλμα, ορθότητα, ακρίβεια και αβεβαιότητα στις μετρήσεις

Υπολογισμός αριθμού σημαντικών δεκαδικών ψηφίων

Η αβεβαιότητα στα αποτελέσματα μαθηματικών πράξεων

Πηγές θορύβου και υπολογισμός SNR


Ορισμοί

Σφάλμα (συστηματικό ή τυχαίο)

Ορθότητα

Ακρίβεια

Αβεβαιότητα (μετρήσεων ή οργάνου)

* Το σφάλμα σε μια μέτρηση ελαχιστοποιείται με περισσότερες επαναλήψεις (αν είναι τυχαίο), η ακρίβεια όμως της μέτρησης δεν μπορεί να αλλάξει.


Υπολογισμός αριθμού σημαντικών δεκαδικών ψηφίων

Ο υπολογισμός του αριθμού των σημαντικών δεκαδικών ψηφίων γίνεται σε 3 βήματα.

1. Υπολογισμός της μέγιστης αβεβαιότητας σε μια μέτρηση(από μετρήσεις και από τον κατασκευαστή).

2. Διπλασιασμός της πιο πάνω τιμής και επιλογή των σημαντικών ψηφίων.

3. Αναγραφή μέσης τιμής +/- μέγιστης αβεβαιότητας χρησιμοποιώντας τον σωστό αριθμό δεκαδικών.

(π.χ. 3.2± 0.3 και όχι 3.23432± 0.3)


Η αβεβαιότητα στα αποτελέσματα μαθηματικών πράξεων

Η αβεβαιότητα σε αποτελέσματα πρόσθεσης και αφαίρεσης πάντοτε προστίθεται. Γιατί;

(4.2 ± 0.2) + (3.1 ± 0.4) = 7.3 ± 0.6

(3.3 ± - 0.1) - (3.1 ± 0.4) = 0.2 ± 0.5

Συμβαίνει το ίδιο στη διαίρεση και τον πολλαπλασιασμό; ΌΧΙ! Σε αυτά προστίθεται η σχετική (%) αβεβαιότητα των επιμέρους μεγεθών.

(2.2 ± 0.1) x (4.1 ± 0.2) = 9.02 ± (0.3???)

(2.2 ± 4.55%) x (4.1 ± 4.88%) =

9.02 ± 9.43% = 9.02 ± 0.85


Παραδείγματα Υπολογισμού της Αβεβαιότητας (από Εργαστήριο 3) Αν μια αντίσταση 20kΩ με ανοχή 20% διαπερνάται από ρεύμα

10mA το οποίο μετρήσαμε με το πολύμετρο (ορθότητα 0.05%) τότε η τάση θα είναι:

V=IxR = 10mΑ (± 0.05%) x 20kΩ (± 20%)

= 200V± 20.05%, δηλαδή 200.0± 40.1 V

Αν μια αντίσταση 100kΩ με ανοχή 20% έχει τάση στα άκρα της 20mV την οποία μετρήσαμε με τον παλμογράφο (ορθότητα 3%), τότε το ρεύμα θα είναι:

0.2μΑ± 23% =0.2±0.2x(23/100)=0.20±0.05 μΑ.

(Γιατί όχι 0.2± 0.046μΑ ή 0.200 ± 0.046μΑ;)


Πολλαπλές Μετρήσεις του ιδίου μεγέθους

Vt=0s = 3.201

Vt=1s = 3.202

Vt=2s = 3.200

Vt=3s = 3.199

Vaverage = (3.201+3.202+3.203+3.199)/4 = 3.2005

ΔV/2 = (Vmax – Vmin)/2 = (3.202 – 3.199)/2 = 0.0015

Αβεβαιότητα από μετρήσεις: +/- 0.0015

Αβεβαιότητα από ορθότητα πολυμέτρου:Vaverage x 0.05% = 3.2005 * 0.05/100 = +/-0.00160025

Επιλέγουμε τη χειρότερη (μεγαλύτερη)από τις δύο αβεβαιότητεςΆρα: 3.2005 +/- 0.00160025

0.00160025 x 2 = 0.00320050 (κρατάμε μέχρι το 1ο μη μηδενικό ψηφίο)

Γράφουμε την απάντηση ως: 3.201 +/- 0.002


Πηγές θορύβου και υπολογισμός SNR

Θόρυβος Johnson

Θόρυβος 1/f

Ηλεκτρονικός Θόρυβος

Εξωτερικός Θόρυβος

Signal to Noise Ratio

SNR(dB) = 20 x log10(Vsignal/Vnoise)

SNR(dB) = 10 x log10(Ρsignal/Ρnoise)


Εργαστηριακή Άσκηση 3

Χρωματικός Κώδικας Αντιστάσεων

Μετρήσεις AC τάσης με πολύμετρο

Υπολογισμός αβεβαιότητας και αριθμού σημαντικών ψηφίων στα αποτελέσματα

Μετρήσεις AC τάσης με παλμογράφο (από οθόνη και με την επιλογή Measure)

Αναγνώριση, μέτρηση και ελαχιστοποίηση του θορύβου σε ένα ηλεκτρικό σήμα.


Μαθησιακοί Στόχοι – Εργαστήριο 3

Υλοποίηση κυκλωμάτων στην πλακέτα και μετρήσεις διαφοράς δυναμικού και συχνότητας με πολύμετρο και παλμογράφο (σχέση rms, p-p).

Ρύθμιση και συνδεσμολογία εναλλασσόμενης πηγής (γεννήτριας σημάτων (AC)).

Εξοικείωση στη χρήση του χρωματικού κώδικα αντιστάσεων.

Υπολογισμός αβεβαιότητας στις μετρήσεις και επιλογή του σωστού αριθμού δεκαδικών ψηφίων.

Μέτρηση του λόγου σήματος προς θόρυβο και υπολογισμός σε dB


Εισαγωγή στο PSpice

Δυνατότητες PSpice

Χρησιμοποίηση PSpice για τους σκοπούς του ΗΜΥ203: Σχεδιασμός κυκλωμάτων και καθορισμός τιμών (προσθήκη

βιβλιοθηκών)

Ανάλυση κυκλωμάτων (bias point: εμφάνιση τάσης, ρεύματος και ισχύς σε κάθε κόμβο, βρόχο, ή στοιχείο αντίστοιχα)

Ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis)

Ανάλυση ανοχής εξαρτημάτων (Monte Carlo/ worst case –min & max)

Δημιουργία γραφικών παραστάσεων

Ανάλυση κυκλωμάτων (RC και RLC)


Παραδείγματα στο youtube: https://www.youtube.com/watch?v=YvbhmedTdcM

Εγκατάσταση PSPICE

Η εγκατάσταση του προγράμματος γίνεται από το αρχείο “Setup.exe”. Ακολουθήστε τις οδηγίες του προγράμματος. Όταν ερωτηθείτε ποια προγράμματα θέλετε να εγκαταστήσετε, επιλέξετε Capture CIS, PSpice και Layout


Δημιουργία πρότζεκτ με το πρόγραμμα «Capture CIS Lite Edition»

Από το μενού διαλέξτε File/New/Project. Αυτή η επιλογή οδηγεί στηδημιουργία ενός καινούργιου πρότζεκτ. Δώστε ένα όνομα και καθορίστε τοχώρο όπου θα αποθηκεύονται τα αρχεία του. Επιλέξετε “Analog or Mixed AD” και ακολούθως, “blank project ” οπότε και θα ανοίξει το σχεδιάγραμμαμέσα στο οποίο θα υλοποιήσετε το κύκλωμά σας.


Εισαγωγή Βιβλιοθηκών και Εξαρτημάτων

Όλα τα στοιχεία σε ένα κύκλωμα μπορούν να εισαχθούν από την επιλογή “Place” και ακολούθως πληκτρολογώντας το όνομα του στοιχείου (π.χ. vdc για πηγή τάσης DC)


Έλεγχος Συνδεσμολογίας και Ανάλυση Κυκλώματος

Ο έλεγχος της συνδεσμολογίας μπορεί να γίνει από την επιλογή PSpice/Create Netlist και στη συνέχεια PSpice/View Netlist

Όλοι οι τύποι ανάλυσης του κυκλώματος απαιτούν τη δημιουργία ενός αρχείου προσομοίωσης το οποίο μπορεί να δημιουργηθεί από την επιλογή PSpice/New Simulation Profile ενώ η εκτέλεση της προσομοίωσης γίνεται από το PSpice/Run


Ανάλυση Τάσης, Ρεύματος και Ισχύος

Για τον υπολογισμό των πιο πάνω μεγεθών σε ένα κύκλωμα (DC) μπορούμε να τρέξουμε μια απλή προσομοίωση “Bias Point”

Αποτελέσματα

Ρυθμίσεις Προσομοίωσης


Ανάλυση ΕυαισθησίαςΗ ανάλυση ευαισθησίας χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του

ποσοστού που το κάθε στοιχείο του κυκλώματος επηρεάζει μια μεταβλητή (π.χ. την τάση εξόδου).

23

1


Αποτελέσματα Ανάλυσης Ευαισθησίας


Ανάλυση Ανοχής Εξαρτημάτων (tolerance)

Με αυτό τον τύπο ανάλυσης μπορεί να υπολογιστεί η ελάχιστη και η μέγιστη τιμή μιας μεταβλητής (π.χ. της τάσης εξόδου) όταν τα στοιχεία του κυκλώματος έχουν κάποια ανοχή.

1. Max with Hi

2. Min with LowΣεπτέμβριος 19 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 26

Αποτελέσματα Ανάλυσης Ανοχής (Με μόνο την R1 να έχει 10% tolerance)

Vout max = (100/190) * 200 = 105.26 Vout min = (100/210) * 200 = 95.238

Από τον διαιρέτη τάσης Vout = (R3/R1+R3) x V1, άρα για τις 2 περιπτώσεις ισχύει ότι:


Μαθησιακοί στόχοι (PSPICE)

Σχεδιασμός κυκλωμάτων και καθορισμός τιμών (προσθήκη βιβλιοθηκών)

Ανάλυση κυκλωμάτων (bias point: εμφάνιση τάσης, ρεύματος και ισχύος σε κάθε κόμβο, βρόχο, ή στοιχείο αντίστοιχα)

Ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis)

Ανάλυση ανοχής εξαρτημάτων (Monte Carlo/ worst case – min & max)


Σύνδεσμος στο αρχείο: Σύντομη Εισαγωγή στο PSPICEhttp://www.eng.ucy.ac.cy/ece203/Notes/Introduction%20to%20PSPICE.pdf

https://www.youtube.com/watch?v=YvbhmedTdcM

Email: [email protected]


Εργαστήριο Κυκλωμάτων και ...€¦ · vr1= (r 1/r 1+r 2) x v s vri= (r i/r...

Documents